200份芝麻种质资源农艺性状遗传多样性分析

2019-10-25韩俊梅吕伟任果香

江苏农业科学 2019年13期

韩俊梅吕伟任果香

摘要：为了对山西芝麻种质资源进行深入、高效利用，利用SPSS 24.0软件对200份种质资源的13个农艺性状进行遗传多样性和聚类分析。结果表明，芝麻种质资源主茎果轴长度的遗传多样性指数最高，最小的为蒴果棱数;不同性状的变异系数不同，变异系数最大的为蒴果棱数，株高的变异系数最小。通过聚类分析，将供试材料分为四大类群：第Ⅰ类群可作为选育机械化品种的亲本材料;第Ⅱ类群综合性状好，可直接利用或者作为较好的親本材料;第Ⅲ类群的资源分布最多，需利用育种手段加以改良;第Ⅳ类群可以筛选特异种质。通过主成分分析提取了6个主要因子，分别为株高因子、蜜腺因子、株型因子、始蒴高度因子、节间长度因子、蒴果棱数因子，累计贡献率71.696%。结果表明，供试芝麻种质资源多样性较丰富，对种质资源的充分了解和分类将为更好地引种和培育高产优质适合机械化的品种提供理论基础。

关键词：芝麻;种质资源;遗传多样性;聚类分析

中图分类号： S565.302.4 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2019）13-0095-05

芝麻（Sesamum indicum L.）属胡麻科（Pedaliaceae）胡麻属（Sesamum），是世界上最古老的油料作物之一[1]，主要分布在亚洲、非洲等国家，在印度、苏丹、缅甸和我国种植面积较大[2]，单位面积产量和总产量我国最多。芝麻是我国五大油料作物之一，具有较高的营养价值、保健价值和美容功效，被广泛地应用在食品、医疗、美容方面，因其含油量高而素有油中“皇后”美誉[3]。随着人民生活水平的不断提高，芝麻市场供不应求，近几年，我国每年进口芝麻80万～90万t，并呈不断增长态势。

我国芝麻种植面积约65万hm2，单位面积产量 1 275 kg/hm2，总产量80万t，全国各地均有种植，分布在平川、丘陵、山区。根据生态气候条件、地理位置，芝麻分为黄淮、江淮、华南、东北、西北、华北六大产区。黄淮、江淮、华南地区种植面积较大，是我国芝麻主产区。西北产区种植以山西、陕西、新疆为主，生态条件与其他产区差异较大。山西气候干旱，年均降水量300～400 mm，平均气温只有10 ℃左右，无霜期150 d左右，耕地面积80%无灌溉条件，60%为丘陵山区，芝麻分布在忻州以南的干旱丘陵区。由于其特殊的地理环境和气候条件，培育的品种具有较强的抗旱性、较高的脂肪含量。因此，围绕山西种质资源，育种家进行了一些研究。

种质资源是作物生产和研究的重要基础，世界各国都十分重视种质资源收集、保存和利用。种质资源的遗传多样性是生物多样性的核心和重要组成成分，种质资源的丰富程度对品种改良、新品种有着直接作用[4]。山西芝麻种质资源有较高的遗传多样性和抗旱性，刘文萍等利用AFLP引物对98份山西和主产区芝麻资源进行了遗传多样性比较，结果表明，山西芝麻资源与芝麻主产区资源的遗传关系较远[5];刘文萍等通过对山西种质资源成株期抗旱性鉴定，发掘了一些优异的耐旱种质[6]。尽管各种分子生物学及遗传学技术已经广泛应用于芝麻种质资源的遗传多样性鉴定分析和评价研究，但是农艺性状的描述和鉴定仍然是种质资源利用研究的重要途径和方法[7]。在品种资源研究中聚类分析已经得到认可，通过遗传多样性的检测，分析遗传变异大小和遗传结构，进而评价种质资源的遗传潜力。孙建等对芝麻种质资源叶绿素含量进行了多样性研究[8];张艳欣等对我国保存的芝麻核心种质进行了遗传多样性分析[9-10];黄如葵等对苦瓜的遗传多样性形态学性状进行聚类分析[11];兴旺等对甜菜种质资源叶部性状进行多样性及聚类分析[12];张向前等对燕麦种质资源主要农艺性状的遗传多样性进行分析[13]。可见，对种质资源进行遗传多样性分析和聚类研究，对种质资源创新有重要作用。

本研究选取200份具有代表性的芝麻种质资源进行遗传多样性分析，通过聚类分析种质资源的遗传距离，鉴别特异种质，挖掘种质材料，为提高性状的选择效率、种质资源的引进提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用材料为我国芝麻产区收集的芝麻种质资源，共200份，这些种质资源已在山西省农业科学院经济作物研究所试验田经过4年的分离提纯，各性状已稳定。

1.2 试验设计

试验于2016年、2017年在山西省农业科学院经济作物研究所试验地进行，采用田间随机区组设计，3次重复，每个小区长3.3 m，宽2 m，株距0.2 m，行距0.33 m，每个材料种植2行，常规田间管理。土壤为沙壤土，前茬玉米，调查数据为2年数据的平均值。

1.3 调查性状

芝麻表型性状的调查参照中国农业科学院油料作物研究所编写、中国农业出版社出版的《芝麻种质资源描述规范和数据标准》，对供试材料的株型、叶色、叶形、蜜腺、每叶腋花数、花冠颜色、蒴果棱数、茎杆茸毛量、始蒴高度、主茎果轴长度、株高、节间长度、单株蒴果数13个重要性状进行调查、测量和记录。

1.4 质量性状调查表

质量性状调查农艺性状标准见表1。

1.5 数据处理

采用Excel 2003、SPSS 24.0软件进行数据统计分析。遗传多样性指数的计算采用Shannon-Weaver信息指数，计算公式：H′-∑PilnPi（i=1，2，3，…）。式中：Pi为某性状第i个级别出现的概率[14-15]。为了便于数量化和统计分析，将数量性状进行10个等级的划分，每0.5σ为1级，σ为标准差;质量性状进行赋值，赋值标准：株型单秆为1、分枝为2;叶色浅绿为1、绿为2、深绿为3;叶形柳叶形为1、披针形为2、椭圆形为3、卵形为4、心形为5;蜜腺无为1、小为2、中等为3、大为4;每叶腋花数单花为1、三花为2、多花为3;花冠颜色白为1、粉色为2、浅紫为3、紫为4;蒴果棱数四为1、六为2、八为3、混合为4;茎秆茸毛量无为1、少为2、中等为3、多为4。数值进行标准化转换（Z得分），聚类方法为系统聚类组内联接法，用欧式距离绘制聚类结果树状图。

2 结果与分析

2.1 芝麻种质资源形态多样性分析

2.1.1 芝麻种质资源5个数量性状遗传多样性分析由表2可知，供试材料的变异系数在15.6%～52.0%，存在较大的差异。其中单株蒴果数变异系数最大，达52.0%，其次为始蒴高度、节间长度、主茎果轴长度，分别为36.0%、21.6%、21.1%;株高的变异系数最小，为15.6%。多样性分析还可以看出，供试材料的5个数量性状的遗传多样性指数较大，变化范围为1.853～2.085，主茎果轴长度的遗传多样性指数最高，为2.085，节间长度的最小，为1.853;始蒴高度、主茎果轴长度、株高的遗传多样性指数均>2，但变幅不大。表明供试材料具有较丰富的多样性，可为芝麻品种的选育提供丰富的亲本材料。

2.1.2 芝麻种质资源质量性状遗传多样性分析由表3可知，供试材料质量性状的遗传多样性指数变化范围为 0.417～1.371，其中茎秆茸毛量遗传多样性指数最高，为 1.371，蒴果棱数的最小，为0.417。从变异系数来看，蒴果棱数的变异系数最大，为65.6%，其次为蜜腺63.5%，变异系数最小的为花冠颜色，仅为19.9%。

2.2 芝麻种质资源农艺性状的聚类分析

利用SPSS 24.0软件处理数据，对200份芝麻种质资源13个农艺性状用系统聚类组内联接法进行聚类，以欧式距离为遗传距离，在遗传距离为20.5处把供試材料分为4类，具体的分类见图1。

由图1、表4、表5可以看出，第Ⅰ类群共有45份材料，这类型材料株型以单秆为主;叶色以深绿为主、浅绿次之;叶形

以椭圆形为主;每叶腋花数以三花为主;花冠颜色以浅紫为主、紫色次之;蒴果棱数以四棱为主;茎秆茸毛量分布比例差不多;以没有蜜腺的材料为主。这类群材料的特点为：株高最低、节间长度较小、单株蒴果数少、始蒴高度低、主茎果轴长度适中且变异系数大，可作为选育机械化芝麻品种的亲本材料。

第Ⅱ类群共有39份资源。这类群材料从质量性状看，株型以分枝为主;叶色以浅绿色为主、绿色次之;叶形以椭圆形为主、披针形次之、卵形最少;每叶腋花数以三花为主;花冠颜色以浅紫为主;蒴果棱数以四棱为主、混合棱数次之;大部分材料没有蜜腺;茎秆茸毛量以少为主、没有茸毛和茸毛量中等次之。其主要特点为分枝、浅绿、三花、浅紫、四棱和混合棱数，没有蜜腺;数量性状株高适中，始蒴部位高，主茎果轴长度短，节间长度适中，单株蒴果数最多，主茎果轴长度和株高的变异系数较大。此类群材料属于高产型种质资源，综合性状良好，是杂交育种较好的材料，部分材料可以经过比较试验、多点试验直接应用。

第Ⅲ类群共75份资源，这类群材料从质量性状看，株型单秆占3/4、分枝占1/4;叶色以浅绿为主、绿色次之、深绿最少;叶形以椭圆形和卵形为主;每叶腋花数以三花为主;花色以浅紫为主;蒴果棱数以四棱为主;蜜腺以没有蜜腺为主。此类群材料株高最高，主茎果轴长度最长，始蒴高度适中，节间长度最长，单株蒴果数较多，可经过杂交育种等手段进行改良加以利用。

第Ⅳ类群有41份材料，此类群从质量性状看，株型单秆、分枝均有;叶色以浅绿色为主，绿色、深绿次之;叶形以椭圆形为主，卵形次之，披针形最少;蜜腺以中等蜜腺为主，大蜜腺次之;每叶腋花数为单花;花冠颜色以浅紫为主，紫色次之;蒴果棱数以四棱为主，八棱次之;茎茸毛量4种类型都有。数量性状表现：株高适中，主茎果轴长度适中，始蒴高度最大，节间长度适中，单株蒴果数最少，且节间长度的变异系数最大。此类群材料主要为1叶1果类型，可作为亲本材料加以利用，也可用来筛选特异种质。

2.3 芝麻种质资源主成分分析

由于本研究的形态性状比较多，通过主要因子分析能够更加清楚地显示各因素在形态多样性结构中的作用[16]。对供试材料的13个性状采用SPSS 24.0进行主成分分析，结果表明主要集中在前6个因子中，累积贡献率71.696%。

由表6、表7可以看出，第1主成分的特征值为2.309，贡献率为17.758%，在第1主成分中株高的特征向量值最大，说明株高对第1主成分的影响最大，其次为主茎果轴长度、单株蒴果数、叶形、花冠颜色、节间长度等，所以称第1主成分为株高因子。随着株高的增大，主茎果轴长度、蒴果数会增大，产量会相应地增加，但是株高过高会出现倒伏，不适合机械化收割，所以株高也不适合过高。

第2主成分的特征值为1.966，贡献率为15.124%，在第2主成分中蜜腺的特征向量值最高，其次为始蒴高度，而每叶腋花数的负向向量值最大，所以称第2主成分为蜜腺因子，蜜腺的有无与每叶腋花数有直接负相关，而每叶腋花数越多单株蒴果数越大。

3 结论与讨论

本研究对200份芝麻种质资源的13个农艺性状进行遗传多样性分析，结果表明，供试资源存在广泛的遗传多样性，但对产量性状起主导作用的单株蒴果数遗传多样性指数较低，表明利用现有种质资源培育新品种，对提高产量水平会受到限制，应进一步拓宽和创制新种质，为育种工作提供基础材料。

通过对200份芝麻种质资源的8个质量性状和5个数量性状进行聚类分析，将供试材料分为4个类群，把遗传距离近的聚在一起，解决了通过单一性状进行直观分类，解决不全面不准确的问题;根据育种目标，按照材料之间遗传距离远近选择亲本，合理搭配杂交组合。第Ⅰ类群的材料株高最低，节间长度短，始蒴部位低，可为选育机械化芝麻品种提供亲本材料;第Ⅱ类群为分枝型材料，其中有一些混合棱数的材料，综合性状良好，有的材料可以直接拿来应用，也是杂交育种较好的材料;第Ⅲ类群材料分布最多，占37.5%，此类群材料需经过杂交育种等手段加以改良;第Ⅳ类群材料属于1叶1果类型，有蜜腺，可作为亲本材料加以利用，也可用来筛选特异种质。主成分分析把能代表13个性状的前6个主成分归类为株高因子、蜜腺因子、株型因子、始蒴高度因子、节间长度因子、蒴果棱数因子，每个因子包含几个性状，但是因子的载荷量不同，其作用程度也不同;单个性状对因子起直接作用或间

通过表型性状的遗传多样性分析和聚类分析，可对种质资源进行分类，以便运用于育种研究，但为了能从基因水平上分类，还需利用分子生物学和细胞生物学办法来解决，使表型鉴定与分子相结合，充分挖掘芝麻种质资源的丰富基因，为科研工作提供更可靠的依据。

通过对山西200份芝麻种质资源形态性状的统计分析，育种研究中可根据不同目标、不同种质特性，选择所需类群材料，利用辐射、诱变等方法创制新种质，不断拓宽育种基础，为培育高产、优质、适宜机械化生产的新品种提供宝贵资源。

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